隨著現(xiàn)代社會活動對電力供給的可靠性和電能品質(zhì)的要求越來越高，以及風(fēng)電、光電等間歇性新能源的接入，電能存儲技術(shù)受到了世界各國的重視[1]。在諸多電能存儲技術(shù)中，基于超導(dǎo)技術(shù)的儲能是一種處于發(fā)展中的、但具有獨(dú)特技術(shù)性能的儲能手段。

利用超導(dǎo)的儲能技術(shù)有2種型式：超導(dǎo)磁儲能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）將電能以磁場能的形式儲存于超導(dǎo)磁體（電感），超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能（Superconducting Flywheel Energy Storage，SFES）將超導(dǎo)技術(shù)用于磁懸浮軸承以提升飛輪儲能的技術(shù)性能。

本文將對SMES和SFES的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景、以及關(guān)鍵技術(shù)課題進(jìn)行簡要介紹。

一、超導(dǎo)磁儲能技術(shù)

1.超導(dǎo)磁儲能的原理

超導(dǎo)磁儲能是一種電感儲能技術(shù)。電感儲能的運(yùn)行原理如圖1，圖1只在（a）圖中標(biāo)注了關(guān)鍵部件的名稱，（b）、（c）圖中的部件名稱與（a）圖相同。

①充電（吸收能量）：開關(guān)S2和S3處于開端狀態(tài)下閉合開關(guān)S1，電源對儲能電感充電；

式（1）中，E為電感中存儲的能量；L為電感值；I為電感中的電流。

③放電（輸出能量）：合上開關(guān)S3、斷開開關(guān)S2，電感對負(fù)載放電而釋放能量。

因?yàn)樵谥绷麟娏飨鲁瑢?dǎo)體為零電阻，用超導(dǎo)導(dǎo)線制作儲能電感（一般稱為超導(dǎo)磁體）的超導(dǎo)磁儲能可以實(shí)現(xiàn)長時間的儲能。超導(dǎo)導(dǎo)線的通流能力比銅導(dǎo)線高出1～2個數(shù)量級，而且電流恒定時導(dǎo)線（磁體）自身不發(fā)熱，使用超導(dǎo)磁體能獲得遠(yuǎn)高于常規(guī)電感的儲能密度、功率密度。

圖1僅為電感儲能的原理圖，根據(jù)不同的應(yīng)用途徑，儲能電感與電源、負(fù)荷的連接方式也不同。本文主要介紹電力系統(tǒng)用SMES。電力系統(tǒng)用SMES需要隨時處于待機(jī)狀態(tài)以便即時響應(yīng)電力系統(tǒng)的動態(tài)變化，超導(dǎo)磁體一般需通過電力電子變流器連接到電力系統(tǒng)，變流器對超導(dǎo)磁體實(shí)施實(shí)時控制。

2.系統(tǒng)構(gòu)成及其技術(shù)特性

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

SMES的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，由超導(dǎo)磁體、低溫系統(tǒng)、變流器、以及狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成[2]。圖2中的變壓器是為了方便SMES與電力系統(tǒng)連接的電壓匹配設(shè)備，不是SMES的必需部件。旁路開關(guān)平時處于開的狀態(tài)，只有在緊急情況下才閉合釋放超導(dǎo)磁體中的能量以保護(hù)磁體的安全。

（2）關(guān)鍵部件

①超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)磁體是SMES的核心部件，可以采用單螺管、多螺管或環(huán)形結(jié)構(gòu)磁體。其中，螺管磁體結(jié)構(gòu)簡單、周圍雜散磁場較大，環(huán)形磁體則相反。

②電流引線

電流引線需具備從低溫環(huán)境到室溫的絕緣性能，也是超導(dǎo)裝置熱損耗的主要熱源之一，是影響SMES制冷機(jī)功率的主要因素。

③低溫系統(tǒng)

超導(dǎo)磁體只有在足夠低的溫度環(huán)境下才能運(yùn)行在超導(dǎo)狀態(tài)，對于高溫超導(dǎo)磁體，雖然高溫超導(dǎo)的臨界溫度高于77K（-196℃），但由于超導(dǎo)導(dǎo)體在磁場的作用下臨界電流會衰減，而為提高儲能密度需盡可能的提高磁場強(qiáng)度，高溫超導(dǎo)磁體用于儲能時，一般需將溫度冷卻到遠(yuǎn)低于77K，比如30K以下?，F(xiàn)在比較成熟的制冷技術(shù)有低溫液體浸泡冷卻和通過制冷機(jī)直接傳導(dǎo)冷卻。

④變流器

超導(dǎo)磁體在儲能狀態(tài)承載的是直流電流，為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)之間的有功功率和無功功率的交換，需要雙向變流器進(jìn)行交、直流的變換與控制。變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有電壓型（VSC）和電流型（CSC）2種，如圖3所示[2]。通過變流器的控制，SMES可以實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率的四象限獨(dú)立控制。

⑤監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)通過檢測電力系統(tǒng)和SMES的運(yùn)行參數(shù)，并由此分析出電力系統(tǒng)的功率補(bǔ)償需求以及磁體的功率補(bǔ)償能力，確定功率補(bǔ)償方案，并指令變流器控制磁體實(shí)施動態(tài)的功率補(bǔ)償，必要時也可對保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出指令。

⑥保護(hù)系統(tǒng)

當(dāng)電流、磁場強(qiáng)度、溫度中的任意一個參數(shù)超過臨界值時，超導(dǎo)體會從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，這稱為失超。SMES的超導(dǎo)磁體在功率補(bǔ)償過程中承載的是動態(tài)電流，會在磁體中產(chǎn)生熱量而致使溫度升高。為保證SMES的安全，需要對超導(dǎo)磁體實(shí)施失超保護(hù)，也需要對超導(dǎo)磁體、低溫系統(tǒng)、變流器以及電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，并實(shí)施有效的保護(hù)。

⑦技術(shù)特性

SMES的超導(dǎo)磁體在儲能狀態(tài)下不會產(chǎn)生焦耳熱損耗，可長時間無損耗地儲存能量，儲能效率高達(dá)95%。超導(dǎo)導(dǎo)線的通流能力比銅導(dǎo)線高出1～2個數(shù)量級、能實(shí)現(xiàn)5T以上的磁場，這使得超導(dǎo)磁體具有很高的儲能密度（約0.9～9MJ/m3）。SMES的儲能與釋能是電磁能量的直接轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換速度及效率高于電能-化學(xué)能、電能-機(jī)械能等能量轉(zhuǎn)換型式，這使得SMES的響應(yīng)速度快、功率密度高、反復(fù)充放電次數(shù)無限制。在變流器的控制下，SMES的實(shí)施功率補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時間小于10ms，能滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、瞬時電壓跌落等的功率補(bǔ)償需求[2]。

3.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)所用超導(dǎo)帶材的不同，SMES可分類為低溫和高溫SMES。使用低溫超導(dǎo)材料的SMES需要工作于液氦溫區(qū)（4.2K），因液氦資源緊缺、制冷成本高，雖然已經(jīng)研制成功了100MJ的低溫SMES，但仍然未能獲得推廣應(yīng)用。高溫超導(dǎo)體的臨界磁場遠(yuǎn)高于低溫超導(dǎo)體，其導(dǎo)線制作技術(shù)處于發(fā)展期，性能還存在上升空間，可以認(rèn)為使用高溫超導(dǎo)材料的SMES是未來的主要發(fā)展方向。本文僅介紹高溫SMES的發(fā)展現(xiàn)狀，如表1所示[3，4]。相比于電力系統(tǒng)對儲能的需求，國內(nèi)外均已實(shí)現(xiàn)的MJ級高溫超導(dǎo)SMES的容量仍然偏小，何況有的樣機(jī)是冷卻到4.2K，使得低溫系統(tǒng)成本高冷卻效率低。為了在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)SMES的規(guī)模化應(yīng)用，還需要進(jìn)一步提高超導(dǎo)導(dǎo)線的性價比、冷卻系統(tǒng)的效率、以及整個SMES系統(tǒng)的可靠性。

二、超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能技術(shù)

1.飛輪儲能的原理

其中，I為轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量；ω為旋轉(zhuǎn)角速度。輸出能量時，電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)速逐漸下降。這種儲能形式很早就在脈沖電機(jī)中得到了應(yīng)用。飛輪儲能的損耗主要來源于軸承部分的摩擦損耗、旋轉(zhuǎn)部件所遇到的空氣阻力、以及電機(jī)本身的損耗。為提高效率，軸承可采用磁懸浮而成為磁懸浮飛輪儲能，也可將整過旋轉(zhuǎn)部件置于真空中以降低空氣阻力導(dǎo)致的損耗。采用超導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)磁懸浮軸承（Superconducting Magnetic Bearing，SMB）即可獲得超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能。

2.超導(dǎo)磁懸浮的原理及其類別

超導(dǎo)磁懸浮有2種型式，一是直接應(yīng)用超導(dǎo)塊材的邁斯納效應(yīng)和磁通釘扎特性[5]與永磁體形成磁懸浮，一是用超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)電磁懸浮。利用超導(dǎo)塊材與永磁體的無源磁懸浮，結(jié)構(gòu)簡單、能量損耗小、容易實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)橛来朋w的磁場強(qiáng)度有限使得懸浮力受到限制。利用超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)的是有源磁懸浮。根據(jù)SMB氣隙磁場的方向，SMB可分為徑向和軸向2種型式，相應(yīng)地，飛輪及電機(jī)的布局也有立式和臥式2種。軸向SMB結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，但剛度較低；徑向SMB結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但剛度較高，可承載容量更大的飛輪。SMB的技術(shù)相對成熟，中小容量儲能的SFES已接近商業(yè)化應(yīng)用[6]。

3.超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能的系統(tǒng)構(gòu)成及其特性

（1）系統(tǒng)構(gòu)成

SFES主要由飛輪、電機(jī)、SMB、低溫系統(tǒng)、真空室以及電力電子變換裝置構(gòu)成，如圖5所示[5]。

（2）關(guān)鍵部件

①飛輪

在SFES中，飛輪是主要儲能部件。從（2）式可以看出，提高飛輪的儲能容量有2種途徑：（a）增加飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；（b）提高飛輪的旋轉(zhuǎn)速度。高抗拉強(qiáng)度的飛輪材料和高速電機(jī)是提高飛輪儲能的儲能密度和功率密度的主要技術(shù)瓶頸。

②超導(dǎo)磁懸浮軸承

SMB是保證飛輪穩(wěn)定懸浮運(yùn)行的核心部件，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，主要性能指標(biāo)是懸浮力和剛度，二者決定了SMB的承載能力。為提高承載能力，需提高SMB的磁場強(qiáng)度。早期的SMB的定子和轉(zhuǎn)子多采用超導(dǎo)塊材和永磁體。由于永磁體磁場強(qiáng)度有限，用超導(dǎo)線圈代替永磁體甚至超導(dǎo)塊材可以獲得更高的磁場強(qiáng)度，這種型式有源磁懸浮，結(jié)構(gòu)和控制均比塊材加永磁體的方式復(fù)雜。

③電機(jī)

電機(jī)是SFES實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，為提高儲能容量需采用高速電機(jī)。由于在能量轉(zhuǎn)換中電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度不斷改變，還需要電力電子裝置對電機(jī)輸出的電能進(jìn)行變換和控制。

SFES所需的變流器、真空、低溫技術(shù)與SMES無本質(zhì)區(qū)別。

④技術(shù)特性

與其它儲能型式相比較，SFES具有儲能密度大、儲能效率高的特點(diǎn)，技術(shù)優(yōu)勢和不足與SMES類似，有功無功四象限可控，響應(yīng)速度快，但單機(jī)大容量較難，成本較高。隨著轉(zhuǎn)子材料性能和電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，其儲能密度還有巨大的提升空間。有研究指出，若采用碳納米管作為飛輪材料，其儲能密度可達(dá)到2 700Wh/kg[7]。

4.超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能的發(fā)展現(xiàn)狀

S F E S的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如表2[8-12]。在美國、日本、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，輸出功率為數(shù)百千瓦的磁懸浮飛輪儲能已有商業(yè)化，在超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能研制方面也處于世界前列。國內(nèi)雖然已有多家研究單位開展了超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能的研究工作，但從所發(fā)布的技術(shù)參數(shù)來看，與世界先進(jìn)水平尚存在較大差距。

三、基于超導(dǎo)的電能存儲技術(shù)的發(fā)展前景

1.應(yīng)用場景

由于超導(dǎo)儲能裝置具有儲能密度大、響應(yīng)速度快、效率高、充放電次數(shù)循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，所以它在許多領(lǐng)域都擁有巨大的應(yīng)用潛力。

（1）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，超導(dǎo)儲能可用于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量和提高風(fēng)電、光電等隨機(jī)性強(qiáng)的間歇式新能源的并網(wǎng)特性[5]。

①提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)在大的擾動下，如線路短路，可能會發(fā)生因功率失衡造成的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。超導(dǎo)磁儲能可以通過快速的動態(tài)功率補(bǔ)償，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性，也能有效抑制電力系統(tǒng)中的低頻振蕩。

②改善電能質(zhì)量

利用超導(dǎo)儲能裝置的快速響應(yīng)特性以及有功功率無功功率的四象限獨(dú)立補(bǔ)償，可提高電壓穩(wěn)定性、補(bǔ)償瞬時電壓跌落、平抑負(fù)荷波動等，有效地提高電能供給的品質(zhì)。超導(dǎo)儲能裝置還可作為敏感負(fù)載和重要設(shè)備的不間斷電源（UPS），保證重要負(fù)荷的供電可靠性。

③改善隨機(jī)性、間歇性可再生能源的并網(wǎng)特性

超導(dǎo)儲能裝置的“充放電循環(huán)壽命長”的特性在平滑風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等隨機(jī)性間歇性強(qiáng)的電源功率輸出方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其動態(tài)功率補(bǔ)償能力可以提高風(fēng)電光電的并網(wǎng)性能。

（2）在脈沖功率電源中的應(yīng)用

憑借著高功率、快速響應(yīng)特性，超導(dǎo)儲能裝置可作為電磁武器和電磁彈射系統(tǒng)的高功率脈沖電源[13]。

（3）其他潛在的應(yīng)用場景

相較于SMES，SFES憑借著可小型化的優(yōu)勢，可應(yīng)用到一些SMES無法應(yīng)用的領(lǐng)域。

①航空航天

除了作為人造衛(wèi)星的電源外，還可利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪對其進(jìn)行姿態(tài)控制[14]。

②能量回收

飛輪儲能系統(tǒng)可應(yīng)用于鐵路機(jī)車、地鐵系統(tǒng)以及混合動力汽車。對車輛的剎車能量進(jìn)行回收，并在啟動過程中對車輛提供能量[15]。

2.產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)課題

（1）裝置級的技術(shù)課題

①SMES磁體的結(jié)構(gòu)及電磁特性優(yōu)化設(shè)計

超導(dǎo)磁體是SMES的核心組成成分，它的特性直接影響SMES的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行性能，需要綜合考慮儲能量、臨界電流、電磁應(yīng)力、漏磁場、磁體耐壓、帶材用線量、磁體運(yùn)行溫度、交流損耗等等因素，通過對磁體結(jié)構(gòu)、電磁特性的優(yōu)化設(shè)計，使其在達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性指標(biāo)的前提下，更有效地利用超導(dǎo)材料，降低成本、提高技術(shù)性能。

②SMES功率變換系統(tǒng)及控制方式

隨著SMES容量的增大，常規(guī)的變流器難以滿足大容量、高功率的要求，所以進(jìn)一步發(fā)展高性能的功率變換系統(tǒng)，主要集中在以下3個方面：一是高耐壓、大電流的電力電子器件；二是電力電子變流器的多重化、模塊化；三是改進(jìn)功率變換系統(tǒng)的控制方式，使SMES能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制，提高其利用率。

③高強(qiáng)度飛輪轉(zhuǎn)子及其優(yōu)化設(shè)計

飛輪的儲能量與飛輪的轉(zhuǎn)速，質(zhì)量和形狀相關(guān)。早期研究通常采用增加飛輪質(zhì)量和轉(zhuǎn)速的方法來提高其儲能容量，然而飛輪材料的機(jī)械強(qiáng)度限制了飛輪轉(zhuǎn)速的提升和儲能量的提高。對于結(jié)構(gòu)、幾何尺寸一定的飛輪，其單位質(zhì)量儲能密度為：

其中，ks為飛輪的形狀系數(shù)。

根據(jù)式（3）可知，選用高比強(qiáng)度（σh/ρ）的材料可提高飛輪的儲能密度。早期的飛輪多采用高強(qiáng)度鋼和鋁合金等金屬材料，兩者的儲能密度只能達(dá)到56.8Wh/kg和36.1Wh/kg。復(fù)合材料由于其密度小、比模量大、比強(qiáng)度高、比剛度高、使用壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為儲能飛輪轉(zhuǎn)子的首選材料。目前復(fù)合材料有碳纖維、環(huán)氧玻璃纖維和凱夫拉纖維等。其儲能密度可分別達(dá)到945.7Wh/kg、320.6Wh/kg和441.1Wh/kg[16]。

④SMB的設(shè)計與優(yōu)化

SMB是SFES系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，為提高SMB的懸浮力和剛度特性，需升高磁場強(qiáng)度。早期的SMB多采用永磁體作為磁場源，采用超導(dǎo)線圈代替永磁體，可望獲得更高的磁場。此外，如何提高SMB的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和減小SMB懸浮力的弛豫也是設(shè)計過程中需要考慮的問題。

⑤失超檢測和保護(hù)裝置研究

對于SMES，以及采用超導(dǎo)線圈實(shí)現(xiàn)磁懸浮SFES，超導(dǎo)部件的狀態(tài)檢測及失超保護(hù)至關(guān)重要。特別是SMES的超導(dǎo)磁體，在動態(tài)功率補(bǔ)償中會產(chǎn)生交流損耗導(dǎo)致磁體的溫度上升，這會影響SMES的出力能力。有效的狀態(tài)檢測與評估，可靠的失超保護(hù)是提高超導(dǎo)儲能裝置可靠性的關(guān)鍵技術(shù)問題。

（2）系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展

①儲能優(yōu)化配置

儲能在電力系統(tǒng)中的優(yōu)化配置，需要結(jié)合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電站規(guī)模、響應(yīng)時間、電網(wǎng)質(zhì)量及風(fēng)險性等因素，對儲能安裝位置及容量進(jìn)行優(yōu)化，使超導(dǎo)儲能裝置在滿足最小儲能容量的前提下最大程度地發(fā)揮作用。SMES的模塊化、分散化應(yīng)用以及分散SMES的優(yōu)化配置是應(yīng)對大型超導(dǎo)磁體技術(shù)難度高的主要手段。

②控制策略

超導(dǎo)儲能裝置和其他儲能裝置一樣，需要選擇和設(shè)計良好的控制策略與電網(wǎng)進(jìn)行配合，包括分散儲能、復(fù)合儲能的協(xié)調(diào)控制，基于儲能裝置狀態(tài)評估的動態(tài)控制[17]，等等。

③復(fù)合儲能

在目前的技術(shù)水平下，與其他儲能技術(shù)相比，SMES和SFES都難以實(shí)現(xiàn)單機(jī)的大容量儲能。但是他們的響應(yīng)速度快適合于功率型功率補(bǔ)償，而且反復(fù)充放電次數(shù)無限制。因此，將SMES與其他儲能方式相結(jié)合，協(xié)調(diào)控制各自的補(bǔ)償對象，在技術(shù)指標(biāo)上形成互補(bǔ)，得到性能更優(yōu)越的復(fù)合儲能系統(tǒng)。

④可靠性、經(jīng)濟(jì)性分析

可靠性是電網(wǎng)運(yùn)行的核心問題，需要研究超導(dǎo)儲能裝置的引入對電力系統(tǒng)的影響，如暫態(tài)穩(wěn)定性。經(jīng)濟(jì)性能是決定超導(dǎo)儲能裝置能否被廣泛接受的重要因素，由于超導(dǎo)裝置的成本造價高于技術(shù)造價，需要建立合理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估模型來分析其經(jīng)濟(jì)效益。

（3）關(guān)鍵材料的發(fā)展

①超導(dǎo)材料

在超導(dǎo)儲能技術(shù)中，所應(yīng)用的超導(dǎo)材料有超導(dǎo)帶材和塊材。

超導(dǎo)帶材有低溫和高溫超導(dǎo)帶材2種。由于低溫超導(dǎo)帶材制冷成本遠(yuǎn)高于高溫超導(dǎo)材料，所以高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用較為廣泛。目前的高溫超導(dǎo)帶材依然存在價格昂貴，臨界電流在外磁場下衰減快等問題。開發(fā)高臨界電流密度、高臨界溫度和臨界磁場的超導(dǎo)帶材，降低成本將成為超導(dǎo)帶材的發(fā)展方向。

超導(dǎo)塊材是SFES中SMB的重要組成部分。其中，超導(dǎo)塊材釘扎中心的密度和性能將影響塊材的磁場俘獲能力、臨界電流密度和懸浮力等重要性能指標(biāo)。

由于目前超導(dǎo)塊材的尺寸多為數(shù)十毫米，所以目前所研發(fā)的SMB均采用拼接的方式增大超導(dǎo)體的面積，這必然會影響到超導(dǎo)體的均勻度。而超導(dǎo)塊材還存在磁通逃逸的問題，這會導(dǎo)致塊材捕獲磁通的下降。目前GdBCO和YBCO塊材在77K下可實(shí)現(xiàn)了3T和1.4T的捕獲磁通能力，且在26K的溫度下YBCO塊材可捕獲最高17.6T的磁場[18]。

綜上可知，大尺寸、高均勻度和高捕獲磁通的超導(dǎo)塊材的制備和加工工藝復(fù)雜、難度大，是SFES研制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。

②絕緣材料

在超導(dǎo)技術(shù)中，低溫電介質(zhì)的絕緣特性已成為影響超導(dǎo)設(shè)備性能和可靠性的一個重要因素。由于超導(dǎo)儲能裝置中的電力電子裝置會產(chǎn)生高頻脈沖寬度調(diào)制（PWM）波，所以低溫絕緣材料應(yīng)能承受PWM波的沖擊。此外，低溫絕緣材料還應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，以承受超導(dǎo)磁體的極大的電磁力；能承受多次冷熱循環(huán)的沖擊，并具有較好的導(dǎo)熱性能。超導(dǎo)部件所采用的絕緣材料可分為低溫液體和固體絕緣材料。目前常用的低溫液體絕緣材料主要有液氮和液氦2種；低溫固體絕緣材料主要包括聚四氯乙烯、聚酰亞胺、玻璃纖維等材料[19]。但是，由于目前的固體絕緣材料在低溫環(huán)境下存在機(jī)械強(qiáng)度低、易開裂，局部放電的起始電壓和耐受電壓強(qiáng)度低等情況。所以，研發(fā)在低溫環(huán)境下具有高機(jī)械強(qiáng)度，耐沖擊能力強(qiáng)的固體絕緣材料；開發(fā)高耐壓的低溫絕緣材料將具有重要意義[20]。

③導(dǎo)熱材料

由于超導(dǎo)磁體在動態(tài)運(yùn)行條件下會產(chǎn)生熱量，若不能及時帶走這些熱量，對磁體的技術(shù)性能和安全會構(gòu)成威脅，應(yīng)開發(fā)新的導(dǎo)熱材料以提高超導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性。

③高強(qiáng)度材料

對于飛輪儲能，高強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度的材料是提升飛輪儲能容量及儲能密度的關(guān)鍵。

（4）相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展

低溫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的可靠性和壽命是超導(dǎo)裝置技術(shù)性能的短板之一，目前還沒有達(dá)到一般電力設(shè)備應(yīng)具備10～20年使用壽命的要求。

電力電子變流器的單機(jī)容量（額定電流、額定電壓）小是超導(dǎo)儲能裝置難以實(shí)現(xiàn)單機(jī)大儲能容量的瓶頸之一。儲能裝置的模塊化、分散應(yīng)用、協(xié)調(diào)控制等概念和技術(shù)可降低超導(dǎo)儲能磁體、變流器的單機(jī)容量要求。

提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速可提高SFES的儲能容量和密度。在高速電機(jī)方面，我國和世界先進(jìn)水平還有差距。

四、結(jié)語

基于超導(dǎo)技術(shù)的電能存儲裝置具有優(yōu)越的儲能和能量變化性能，與其他儲能技術(shù)相比較，在響應(yīng)速度、動態(tài)功率補(bǔ)償、反復(fù)動作壽命等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。為實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的規(guī)模化應(yīng)用，在裝置研制、系統(tǒng)運(yùn)行2個層次均存在若干技術(shù)問題需要進(jìn)一步開展深入研究，也有若干新的概念和技術(shù)正在發(fā)展之中，如模塊化、分散應(yīng)用、協(xié)調(diào)控制、復(fù)合儲能、儲能磁體的實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，等等。

在材料方面，超導(dǎo)材料的性價比有待提高，絕緣材料、高強(qiáng)度材料的發(fā)展可望進(jìn)一步提高超導(dǎo)儲能的技術(shù)性能。雖然還存在以上的技術(shù)困難，但是，由于超導(dǎo)的儲能技術(shù)的快速響應(yīng)的動態(tài)功率補(bǔ)償能力在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、改善電能品質(zhì)、輔助間歇性新能源并網(wǎng)、以及其無損儲能特性在航天、脈沖功率電源等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，利用超導(dǎo)的電能存儲技術(shù)是具有良好發(fā)展前景的儲能技術(shù)，是發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)的重要著力點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] Aneke M，Wang Meihong.Energy storage technologies and real life applications -A state of the art review[J]. Applied Energy，2016（179）：350-377.

[2] 唐躍進(jìn)，石晶，任麗.超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（SMES）及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 戴少濤，王邦柱，馬韜.超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電力建設(shè)，2016，37（8）：18-23.

[4] 劉洋，唐躍進(jìn)，石晶，等，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2015，9（12）：58-64.

[5] 唐躍進(jìn)，任麗，石晶.超導(dǎo)電力基礎(chǔ)[M].北京：中國電力出版社，2011.

[6] 林群煦.高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[7] Strasi M k，Day M A，Johnson M P，et al.Flywheel electricity systems with superconducting bearings for utility applications [R].Boeing Phantom Works.

[8] 余志強(qiáng)，張國民，邱清泉，等.高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（12）：109-118.

[9] Ichihara T，Matsunaga K，Kita M，et al.Application of superconducting magnetic bearings to a 10 kWh-class flywheel energy storage system[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2005，15（2）：2245-2248.

[10] Yamauchi Y，Uchiyama N，Suzuki E，et al.Development of 50kWh-class superconducting flywheel energy storage system[J]. International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，SPEEDAM 2006，36：484-486.

[11] Mukoyama S，Nakao K，Sakamoto H.Development of superconducting magnetic bearing for 300 kW flywheel energy storage system[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2017，27（4）：3600804.

[12] 邱傅杰，徐克西，盛培龍.小型飛輪儲能系統(tǒng)高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（1）：181-186.

[13] Swett D W，Blanche J G.Flywheel charging module for energy storage used in electromagnetic aircraft launch system[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（1）：525-528.

[14] Tang Jiqiang，F(xiàn)ang Jiancheng，Wen Wen.Superconducting magnetic bearings and active magnetic bearings in attitude control and energy storage flywheel for spacecraft[J].EEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22（6）： 5702109.

[15] Lee H，Jung S，Cho Y，et al.Peak power reduction and energy efficiency improvement with the superconducting flywheel energy storage in electric railway system[J].Physica C Superconductivity，2013，494（11）：246-249.

[16] 張振龍，高琳.復(fù)合材料飛輪研究進(jìn)展[J].纖維復(fù)合材料，2014（2）：56-58.

[17] Liu Yang，Tang Yuejin，Xu Ying，et al.Status evaluation method for SMES used in power grid[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2015，25（5）：5701310.

[18] 唐天威.高性能YBCO單疇塊材的制備及其超導(dǎo)性能的研究[D].上海：上海大學(xué)，2016.

[19] Hayakawa N，Matsuoka T，Nishimachi S，et al.Quench-Induced dynamic breakdown characteristics of LN2 and LN2/PPLP composite electrical insulation system for superconducting power apparatus[J].IEEE Transactions on Applied Supercond uctivity，2015，25（3）：7700304.

[20] 張洋瑞.高電壓冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜的主絕緣設(shè)計[D].北京：華北電力大學(xué)，2011.